数控机床毕业论文
摘要:高性能多坐标数控机床的回转进给系统，如摆头、转台等，大多由永磁同步伺服电机直接驱动，其控制问题比常规进给系统更复杂。因此，建立更科学的适用于直驱永磁同步电机的数学模型，对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出了一种基于矢量控制的直驱式永磁同步电机状态空间模型的建立方法，并运用现代控制理论对系统的可控性、可观性和稳定性进行了分析计算，配置了系统的极点，利用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论依据和分析方法。
关键词:旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；
中国图书馆分类号:TP391文献识别号:A文号:1009-0134(2007)08-0040-05数控机床回转进给系统的状态空间模型与性能分析张傲，(清华大学精密仪器与机械系，北京100084)摘要:高性能多坐标数控的摆头、转台等回转进给系统它比传统的进料系统更难控制。因此，更科学地建立适用于直接驱动的PMSM数学模型，对于提高回转进给系统的控制水平具有重要意义。为此，提出了一种基于矢量控制的PMSM状态空间方程PMSM建模方法。用现代控制理论分析了系统的能控性、能观性、稳定性和极点配置。并用Simulink完成了系统仿真。该方法为数控机床旋转进给伺服系统的设计提供了理论基础和分析方法。关键词:旋转进给；直接驱动；PMSM；状态空间方程0
序
高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统(即取消了从电机到执行机构或负载的所有机械中间传动环节，传动链长度缩短为零。永磁同步电机(PMSM)被广泛用作控制对象。其优点是结构简单，运行可靠。通过采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土磁体等结构措施，DC电机的整体尺寸减小了约1/2，重量轻了60%，转子惯量可降至DC电机的1/5。[2]还需要注意的是，由于传动环节的存在，传统驱动系统对控制环节的应力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直驱伺服系统负载与控制环节几乎直接相连，没有传动链的缓冲，因此控制环节应力较大，对扰动敏感，可能会影响系统的动态性能；同时，摆头和转台的特点是承受低速重载，因此重载下的低速平稳性也是系统设计的重要问题。因此，对于数控机床转台、摆等这类旋转进给的直接驱动系统，其控制问题比常规进给系统更为复杂。在工程实践中，通常采用基于矢量变换控制的经典三环控制方法来控制系统。控制模型以经典控制理论为基础，即利用传递函数描述系统，以单一变量(如速度)为输出，与输入(如电压)直接相关。但实际上，系统除了输出之外还包含其他自变量，微分方程或传递函数不便于描述这些内部中间变量，因此不能包含系统的全部信息，不能完全揭示系统的所有运动状态。而如果应用现代控制理论的状态空间方法来分析系统，其动态特性是由一个由状态变量组成的一阶微分方程组来描述的，可以反映系统所有自变量的变化，确定系统所有的内部运动状态，并且可以方便地处理初始条件。因此，它能更全面地表征系统与系统内变量之间的关系，特别适用于非线性、多输入多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直驱伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，采用状态空间法建模更加科学有效。本文在矢量控制的基础上，用状态空间法建立了永磁同步电机的状态空间模型，并运用现代控制理论的各种方法对模型进行了综合分析，为进一步应用先进控制方法对系统进行控制打下了坚实的基础。1 PMSM的数学模型我们考虑正弦永磁同步电动机系统。电机具有正弦反电动势波形，其定子电压和电流也是正弦的。假设电机是线性的，参数不随温度变化，忽略磁滞和涡流损耗，转子没有阻尼绕组。基于电机统一理论的结论，永磁同步电机在转子坐标系(D-Q轴系)中的定子磁链方程如下:
(1)其中:——定子上转子磁钢的耦合磁链；Ld，Lq——永磁同步电动机直轴和交轴的主电感；——定子电流矢量的直轴和交轴分量。PMSM定子电压方程为:(2)其中，——定子电压矢量us的D、Q轴分量；W——转子的电角频率。PMSM的转矩方程为:(3)电机转矩系数Kt为:KT = PMYR。另外，电机系统必须满足基本运动方程:(4)其中n为电机转速；wr-转子机械角速度，w = pmwrTd，TL-电机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行建模。如果采用矢量控制，一般要求id=0，但md和id不出现在状态方程中是不合理的。因为在id=0的控制模式下，只要求id的值等于0，但id的实际值并不总是等于0(特别是在动态过程中)。同时，ud的实际值也不会等于0。因此，ia也必须视为状态变量，md视为控制变量，由控制器根据所有状态变量(包括id)的值进行控制。因此，取状态变量，q为转子位置角。如果将表达式(1)带入表达式(2)的第二个表达式，则可以由表达式(3)和(4)得到永磁同步电机的状态方程:(5)因此，系统是一个非线性时变系统，系数矩阵中含有wr、id和iq状态变量的交叉相乘项，因此需要对系统进行解耦。以ud和uq为控制变量，以负载转矩TL为扰动处理，因此，如果单独提出，则以=AX+BU+B0TL的形式系统化，原系统化如下:(6)6)2 PMSM系统的分析。PMSM的参数如下:系统状态空间方程为:2.1多项式模型，将状态空间模型转化为多项式模型，系统传递矩阵为:2.2能控性和。状态完全可观的充要条件是可观矩阵的秩为n，可以计算出系统的可控矩阵秩为4且满秩，则系统状态完全可控。如果系统的可观测矩阵的秩为4且满秩，则系统的状态完全可观测。2.3控制系统的稳定性分析对于状态空间模型表示的系统，系统稳定的充要条件是系统矩阵A的所有特征值都有负实部。EIG(a)' = 1.0e+002 *[0-1.2069-0.8066 I-1.8066 I-2.1212]因为系统矩阵a中存在一些特征值，由于可控矩阵的秩为4且满秩，所以可以通过状态反馈配置极点来稳定系统。2.4多输入控制系统的极点配置多输入系统极点配置的基本思想是:先求一个状态反馈，使其闭环系统能控制某一个输入(例如第一个输入)，然后按照单输入系统极点配置的方法进行极点配置[5]。图1闭环系统方框图带极点配置期望极点为:1.0e+002 *[-0.1-1.2069-0.8066 I-1.2069+0.8066 I-2.128。，可从系统得到，n=4，m=2，u1+u2=4，A是Q-1的最后一行向量。(2)首先按照可控标准配置极点。单输入系统的极点配置。的特征多项式为，期望特征多项式为，则增益矩阵为:(3)可控标准型的变换矩阵T，即增益矩阵回到原坐标系(4)原系统(a，B)极点配置的状态反馈为:2.5系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应:图2极点配置前位置状态向量的阶跃响应；图3极点配置后位置状态向量的阶跃响应；系统位置状态向量对速度信号的响应(虚线为输入位置信号， 实线为输出位置信号):图4:极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应(虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号)图5:极点配置后的速度信号跟踪曲线6:极点配置前的正弦信号跟踪曲线7:通过极点配置可以看出，系统稳定，对各种输入信号的响应大大提高，具有良好的跟踪性能，这对伺服系统非常重要。 3.得出用状态空间方程表示系统，可以将系统的状态与系统的输入输出联系起来，建立系统内部变量与外部输入和测量输出之间的联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更加准确和科学。提出了一种基于矢量控制的永磁同步电机完整状态空间模型的建立方法。根据该模型，运用现代控制理论的各种方法对系统的性能进行了分析和计算。分析表明，该系统具有完全可控性、完全可观性和临界稳定性。通过状态反馈配置极点的方法稳定系统，使状态变量对输入信号具有良好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。
参考文献:[1]欧阳黎明。MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社，2001。[2]张崇巍，李，.运动控制系统[M]。武汉:武汉理工大学出版社，2002。[3]李三东，薛华。(2): 115-120.[4]杨萍，马瑞卿，安。基于Matlab的永磁同步电机控制系统建模与仿真方法[J].沈阳工业大学学报，2005，(4): 195-65433。杜敬宜。现代控制的理论基础[M]。北京大学出版社，2006。[6]孙亮。MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社，2006年，在我国物流管理逐步走向社会化和供应链化的形势下，需要结合具体企业的物流运作和管理实践，根据精益物流的基本原理和企业的信息化情况，通过理论和应用研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上，不断修改和完善，不断开展研究和实践，推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考资料:[1]吴越。论精益物流系统[J].中国循环经济，2006 54 38+0(5):11-13。[2](美)詹姆斯·p·沃马克，(英)1999。[3]理查德·威尔丁。瘦，更瘦，最瘦[J]。国际物流与物流杂志。物流管理1996，25 (3/4) 20。[4]王志太。物流工程研究[M]。北京:首都经济贸易大学出版社，2004。[5]田豫，朱道立。精益物流[J]。物流技术，1999 (6马时.供应链物流流通量与响应时间的计算模型[J].信息社会世界峰会交易系统，2006，5(4):643-650。__
PLC在机床数控改造中的典型应用
河北科技大学机械与电子工程学院，石家庄050054
论述了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤，并以西门子S7-200系列可编程控制器为例介绍了改造的具体过程，阐述了机床数控改造的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词:可编程控制器；机床；数控改造
中国图书馆分类号:TG51文献识别码:A文号:100320794(2007)1120147202。
PLC在机床数控化改造中的典型应用。摘要:讨论了如何利用可编程控制器(PLC)对机床进行改造，详细介绍了基于西门子S7 - 200 PLC对切割机进行改造的全过程。最后阐述了数控改造的作用及其带来的效益。关键词:可编程逻辑控制器(PLC)；机床；数控改造0
我国现有的一些机床仍采用传统的继电器-接触器控制方式。这些机床触点多，电路复杂。经过多年的使用，它们故障多，维修量大，维修不方便，可靠性差，严重影响正常生产。一些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率和自动化程度已经不能满足当前的生产工艺要求。改造这些机床势在必行。改造不仅是企业资源再利用和可持续发展的需要，也是适应新的生产技术和提高经济效益的需要。
1解决方案是用PLC改造旧机床控制系统的有效手段。采用PLC控制后，机床控制电路的接线数量大大减少，故障率大大降低，提高了设备运行的稳定性和利用率，增强了可靠性，降低了维护和保养工作强度。当机床加工程序发生变化时，只需修改PLC程序即可进行新的加工，更加方便，有助于提高机床的应用性。由于机床具有通信功能，利用可编程控制器对机床进行改造后，可以与其他智能设备进行联网和通信，并可以在今后进一步的技术改造升级中根据需要接入工厂自动化网络。
2改造过程、步骤及应用实例(1)深入了解原机床的工作过程，分析整理其基本控制方式、完成的动作顺序和条件关系，以及相关的保护和联锁控制，尽可能与实际操作人员充分沟通，了解是否有必要对现有机床的控制操作进行改进，以提高准确性、可操作性和安全性；如果需要，会在后续的设计中实现。(2)根据分析和整理的结果，确定用户所需的输入输出设备。因为是旧机床的改造，在保证完成工艺要求的前提下，原机床的输入输出设备，如按钮、行程开关、接触器、电磁阀等。，被最大限度的利用，降低改造成本。(3) PLC选型。根据输入和输出设备的数量和类型，确定所需的IPO点数。在确定IPO点数时，要留有20%左右的余量，以适应未来生产技术的变化，为系统改造留有余地。根据IPO点数，用一个经验公式估算记忆容量:总记忆字数=(开关输入点数+开关输出点数)×10+模拟点数× 150。估算完内存中的单词数，留25%的余量。相应地，选择合适的型号。(4)设计编制IPO分配表，绘制IPO接线图。需要注意的是，同类型的输入点或输出点应尽可能集中，连续分布。(5)程序设计。原机床继电器控制电路图可借鉴修改完善。程序设计完成后，要进行模拟调试。(6)模拟调试结束后，进行现场系统调试。逐一排查调试中的问题，直至调试成功。最后，技术资料要整理归档。图1 IPO接线图下面是一台锯片切割机的数控改造过程。机床的控制过程如下:(1)主轴电机控制。开始，停止；(2)进给电机控制。工作台纵向进给至与锯片相切的位置，然后工作台横向快速进给，完成后工作台缓慢移动并后退，期间锯片主工作台变速旋转一个锯齿角，两次移动同时插补形成锯齿弧；(3)冷却泵电机启动控制、相关保护和联锁控制、工作台各方向超程保护、各方向联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据对设备硬件条件的分析，面板上有六个按钮，需要占用六个数字输入口，一个BCD dip开关占用四个输入口，一个线性光栅尺占用三个输入口，一个三位状态旋钮占用两个输入口。执行机构为三个步进电机和两个异步电机，其中三个步进电机需要八个数字输出口，砂轮主电机和冷却泵各需要1个输出口。为了保证安全，热继电器不接输入端，直接接PLC的输出端；总输入点数为15点，输出点数为12点。考虑到应该有20%左右的保证金，IPO点数应该在30点以上。所以选用西门子S7-200系列226 PLC，24个输入点，16个输出点，40个IPO点。编制IPO分配表(见表1)，绘制IPO接线图(见图1)；借助机床原有继电器控制电路图，进行程序设计，编写STL结构化编程语言。模拟调试和现场系统调试，完成技术资料的归档。表1 IPO分配表投入产出I0。0 BCD dip开关1位Q0。0 W轴CP端子I0。1 BCD双列直插式开关2位Q0。1 X轴PY轴CP端子I0。2 BCD dip开关3位Q0。2 W轴方向端子I0。3 BCD dip开关4位Q0。3 W轴自由端I0。4开始Q0。4 X轴方向终点I0。5暂停Q0。5 X轴自由端I0。6光栅尺A相输入Q0。6 Y轴方向终点I0。7光栅尺B相输入Q0。7 Y轴自由端I1。0光栅尺Z相位复位Q1。0主电机继电器I65438。+0.1锯片直径输入确认Q1。冷却泵继电器I1。2砂轮直径输入确认Q1。2报警指示灯I1。3三位状态旋钮输入1 Q1。3通电指示灯I65438。38+0之后。5冷却泵启动I1。6急停3、效果可实现加工柔性自动化，效率比传统锯片机高5 ~ 6倍。加工出来的锯齿精度高，尺寸分散小，提高了锯齿的强度。具有自动报警、自动监控、补偿等自我调节功能，可实现长期无人值守处理。由于锯片采用新型合金钢，修复磨损齿的成本很高。采用这种锯片机后，为工厂节省了可观的维修成本，真正提高了工厂的效率。结论利用PLC对传统机床进行数控改造，可以有效解决复杂、精密、多变的零件加工问题，满足多品种、小批量的优质、高效、柔性生产方式的要求，满足各种机械产品快速升级的需要。同时为企业节省了大量的设备改造成本，提高了企业的经济效益和社会效益，增强了企业的产品竞争力，使企业更容易在竞争激烈的市场环境中生存和发展。参考资料:【1】陈。电气控制与可编程控制器[M]。广州:华南理工大学出版社，2001。[2]张欣怡。经济型数控机床系统的设计[M].北京:机械工业出版社，1994。作者简介:邵小溪。
基于网络的数控机床远程管理
王惠芬，刘婷婷，张友良(南京理工大学机械工程学院，江苏210094)
网络化制造是21世纪的主要生产方式，利用网络技术管理数控机床是必然的。在分析数控机床网络化和远程管理需求的基础上，提出了一种基于TCP/IP的数控机床网络化和远程管理系统的方案，可以与企业其他信息管理系统无缝集成，详细介绍了该系统的结构和功能，并给出了应用实例。
关键词:网络化制造；数控机床；远程管理中国图书馆分类号:TG659文献识别码:a。
文章编号:1001-3881(2007)10-070-4基于网络数控机床远程管理试验在分析数控机床网络化和远程管理需求的基础上，提出了基于TCP/ip2的网络化方案和远程管理系统，并可与企业其他数控机床信息管理系统集成。然后讨论了该系统的体系结构和主要功能。介绍了一个应用实例。关键词:网络化制造；数控机床；远程管理0
引言网络化制造是21世纪制造业的主要生产方式。网络化设计制造系统是由多种、异构、分布的制造资源以一定的互联方式利用计算机网络组成的开放、多平台、协同的系统，能够及时、灵活地响应市场需求的变化。它以组织上的动态联盟为特征，其目标是将现有的各种地理上或逻辑上分布的制造系统连接到计算机网络上，以提高各单位之间的信息交流和协作能力，进而实现各种资源的共享，快速设计和制造产品，响应市场的需求。是制造企业在21-3世纪缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本、增强竞争力的主要技术措施。数控机床与计算机之间的通信是实现制造设备集成控制和管理的基础和必要条件，也是实现网络化制造的关键之一。随着数控技术应用的不断深入，计算机技术和网络技术的不断发展，企业中数控机床的数量越来越多，传统的单机管理模式由于技术手段落后、生产效率低、管理和维护成本高等原因已经不能满足企业发展的需要，因此利用网络技术管理数控机床成为必然[4]。我国数控机床网络DNC技术经过20多年的发展，也经历了从纸带到单机，再到简单网络，最后到高级网络的艰难过程。纸带模式已经基本被完全抛弃；当机床数量较少时，部分用户仍在使用单机通讯模式；当机床数量发展到一定数量时，机床用户一般采用网络DNC的方式[5]。目前国内数控机床的网络DNC主要有两种结构:一种是单台计算机对应单台机床，这些计算机通过局域网连接；另一种是单台计算机对应多台机床，大部分基于RS2232串口通讯或国外通讯软件产品[6-10]，也有部分基于TCP/IP国产软件[11-13]。然而，随着市场经济和企业信息化的发展，企业使用了多种信息管理系统，如ERP、PDM、MES、CAD /CAPP /CAM等。，还必须考虑各种系统之间的信息共享，以避免信息孤岛。因此，利用集成DNC技术管理数控设备群势在必行。在分析数控机床网络化和远程管理需求的基础上，提出了一种基于TCP/IP的数控机床网络化和远程管理系统的方案，可以与企业其他信息管理系统无缝集成，并详细介绍了该系统的实现技术和应用实例。
1数控机床远程管理系统结构111系统需求分析目前，在实施网络化制造的过程中，越来越多的企业逐步实施了企业信息化工程，单机运行的数控机床成为制约企业快速响应市场的瓶颈。为了更好地满足生产发展的需要，迫切需要将企业的数控机床进行网络化改造，实现信息系统对数控机床和车间的远程管理。数控机床远程管理系统的设计需要满足以下要求:(1)开放性。随着新技术的发展，系统应具有可扩展性和可定制性，并且易于增加和更新系统的功能。系统的配置应具有良好的通用性、兼容性、可移植性和互操作性。(2)灵活性。系统支持多种操作系统(Windows98 /NT 410 /2000)，要与控制器类型、设备数量、任务相适应。